Au centre de la Voie lactée, l’étoile S2 accomplit un tour en seize ans autour de Sagittarius A*. Les télescopes suivent sa position et sa vitesse. Comment identifier l’objet qui l’attire ? Cette question résume la recherche des trous noirs : mesurer ce qui est accessible, puis déterminer quel objet peut produire ces effets.
Un trou noir ne laisse pas s’échapper la lumière depuis l’intérieur de sa frontière, appelée horizon des événements. Il ne se présente donc pas comme un astre dont on pourrait photographier la surface lumineuse. Pourtant, son environnement et les déformations de l’espace-temps fournissent plusieurs preuves observationnelles. Elles ne mesurent pas toutes la même chose, et c’est précisément ce qui les rend complémentaires.
Les étoiles et le gaz révèlent une masse invisible
Le mouvement d’une étoile permet de mesurer l’attraction qu’elle subit. Son accélération donne accès à la masse responsable de cette attraction ; son orbite renseigne aussi sur la concentration de cette masse. Les astronomes cherchent donc davantage qu’un compagnon invisible : une masse assez grande et assez compacte pour qu’aucun autre objet ne puisse expliquer les mesures. Le trou noir est la conclusion tirée de ces observations, pas ce que le télescope voit directement.
S2 en fournit un exemple particulièrement précis. Près de trois décennies de suivi, notamment avec le Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral, ont montré que son orbite change d’orientation à chaque tour. Elle dessine progressivement une rosette plutôt qu’une ellipse fermée. Ce déplacement, appelé précession, correspond aux prédictions de la relativité générale d’Einstein. Selon les chercheurs, il renforce les preuves que Sagittarius A* est un trou noir supermassif d’environ quatre millions de masses solaires.
Le gaz apporte d’autres indices. Dans certains systèmes où une étoile accompagne un trou noir, de la matière est arrachée aux couches externes de l’étoile. Elle s’accumule en tournant autour du trou noir : c’est le disque d’accrétion. Les particules de gaz accélèrent, se heurtent et chauffent jusqu’à des millions de degrés, au point d’émettre des rayons X détectables.
Ces rayons X viennent donc de la matière chauffée autour du trou noir, pas de son intérieur. À l’échelle des galaxies, les astronomes analysent aussi les spectres. Ils peuvent ainsi distinguer le gaz chaud et rapide d’un disque d’accrétion du gaz plus froid et plus lent associé à la formation d’étoiles. Là encore, les observations portent sur la matière environnante ; la présence du trou noir est déduite de ses effets.
L’image de l’EHT montre une ombre, pas l’horizon
L’Event Horizon Telescope, ou EHT, a apporté une preuve visuelle avec l’image du centre de la galaxie Messier 87, située à environ 55 millions d’années-lumière. L’image présente une structure lumineuse en anneau autour d’une région centrale sombre. L’anneau correspond à l’émission de matière environnante ; la région sombre est l’ombre du trou noir, produite par la déviation gravitationnelle et la capture de la lumière.
Ce n’est pas une photographie de l’horizon des événements. Cette frontière est environ 2,5 fois plus petite que l’ombre observée. Autrement dit, le contour sombre de l’image ne trace pas directement la limite du trou noir.
Pour obtenir cette image, l’EHT a synchronisé huit radiotélescopes répartis sur la planète lors d’une campagne en 2017. Leurs données ont été combinées pour former un télescope virtuel de la taille de la Terre, puis traitées informatiquement. Plusieurs méthodes de calibration et de reconstruction ont retrouvé l’anneau et son centre sombre dans des observations indépendantes. La comparaison avec des modèles intégrant la gravité, la matière très chaude et les champs magnétiques soutient l’interprétation de l’image, ainsi que l’estimation de la masse du trou noir : environ 6,5 milliards de fois celle du Soleil.
Les ondes gravitationnelles révèlent les fusions
Une autre preuve ne repose pas sur la lumière venue du ciel. Le 14 septembre 2015, les deux observatoires LIGO ont détecté des ondes gravitationnelles, des déformations qui se propagent dans l’espace-temps. Leur passage modifie très légèrement les distances. LIGO mesure ces variations en comparant deux faisceaux laser parcourant des bras de quatre kilomètres.
Les deux détecteurs ont enregistré le même événement, avec un décalage d’environ sept millisecondes. La forme du signal correspond très étroitement à celle que prédit la relativité générale pour deux trous noirs qui se rapprochent puis fusionnent. L’analyse indique deux objets d’environ trente masses solaires chacun, à quelque 1,3 milliard d’années-lumière.
Annoncé le 11 février 2016 par les collaborations LIGO et Virgo, ce résultat constitue la première observation confirmée d’ondes gravitationnelles et la première preuve directe de fusions de trous noirs. « Directe » ne signifie pas ici que les objets ont été photographiés : les instruments mesurent les effets de l’onde, et les chercheurs identifient sa source en confrontant le signal aux prédictions.
James Webb prolonge aujourd’hui l’enquête vers l’Univers jeune. Ses instruments infrarouges permettent d’étudier à travers la poussière la matière autour de trous noirs actifs. Dans Abell2744-QSO1, observé tel qu’il existait 700 millions d’années après le Big Bang, son spectrographe NIRSpec a cartographié la rotation du gaz. Les chercheurs en ont calculé une masse centrale d’environ 50 millions de masses solaires. Avec la composition du gaz, ces mesures suggèrent que ce trou noir a pu précéder le développement d’une importante galaxie hôte. Son scénario de formation reste à départager : Webb mesure ses effets, sans observer directement sa naissance.
Crédit de l’image : EHT Collaboration. Conditions d’utilisation.
